申请日2005.02.22
公开(公告)日2007.02.28
IPC分类号C02F3/08; C02F3/30; C02F1/00
摘要
由于不断严格的管理，在城市污水处理中，能够去除碳底物、营养物和磷的生物营养物去除(BNR)日益得到全世界的重视。可能用于生物营养物去除工艺的生物流化床(BFB)能提供诸如效率高与结构紧凑的优点。本发明将固定膜生物流化床技术和生物营养物去除工艺整和到一个液固循环流化床中，在高效、占地极少的情况下，达到了同时去除碳氮磷的目的。液固循环流化床生物营养物去除系统含有两个流化床，分别以缺氧/厌氧和好氧过程运行，通过缺氧/厌氧床和好氧床之间的连续固液再循环，完成同步硝化/反硝化并去除碳底物、营养物和磷。该新型的液固循环流化床生物营养物去除系统不仅是传统活性污泥型生物营养物去除技术的极好替代方，还可承受高负荷并适于工业应用。
权利要求书
1.液固循环流化床系统，包括：
第一流化床，在其上涂覆有有效固定的细菌的固体颗粒从临近所述 第一流化床的第一末端处进入所述第一流化床，第一液体从临近所述第 一流化床的第二末端处进入所述第一流化床，所述第二末端远离所述第 一末端，以便所述固体颗粒与所述第一液体逆向流动;
第二流化床，所述第二流化床为升流床，其中引导固体颗粒进入所 述第二流化床的装置和引导第二液体进入所述第二流化床的装置均临近 所述第二流化床的一个末端，以便引入所述第二流化床的所述固体颗粒 和所述第二液体从所述一个末端向所述第二流化床的另一末端同向流过 所述第二床，所述一个末端远离所述第二流化床的所述另一末端，气体 注入装置将气体注入所述第一和第二流化床之一或二者;
第一装置，其经所述第一流化床的所述第二末端和所述第二流化床 的所述一个末端连接所述第一流化床和所述第二流化床，所述第一连接 装置包括将固体颗粒供入所述第二流化床的装置;以及
第二装置，其经所述第一床的第一个末端和所述第二流化床的所述 另一末端连接所述第一和所述第二流化床，所述第二连接装置包括将所 述固体颗粒供入所述第一流化床的装置。
2.如权利要求1所述的液固循环流化床系统，其中所述气体注入装 置与所述第一流化床相连，以及其中所述第一流化床包括好氧区，用于 在氧存在时主要由被固定的细菌对污水进行生物降解。
3.如权利要求1或2所述的液固循环流化床系统，其中所述第二流 化床包括用于反硝化的缺氧区和用于释磷的厌氧区。
4.如权利要求1、2或3所述的液固循环流化床系统，其中所述气 体注入装置与所述第二流化床相连，以及其中所述第二流化床包括有好 氧区，用于在氧存在时主要由被固定的细菌对污水进行生物降解。
5.如权利要求1、2、3或4所述的液固循环流化床系统，其中所述 第一流化床包括用于反硝化的缺氧区和用于释磷的厌氧区。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的液固循环流化床系统，其中 所述第一连接装置适于在所述第一和第二流化床之间形成第一水力密 封;所述第二连接装置适于在所述第一和第二流化床之间形成第二水力 密封。
7.如权利要求6所述的液固循环流化床系统，其中所述第一水力密 封为第一移动填充床，所述第二水力密封为第二移动填充床。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的液固循环流化床系统， 其中所述第一流化床为以传统流化床方式运行的逆流流化床。
9.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的液固循环流化床系统， 其中所述第二流化床为以循环流化方式运行的升流床。
10.如权利要求1至9任一权利要求所述的液固循环流化床系统， 其中注入所述第一流化床的所述气体含有氧气。
11.如权利要求1至10任一权利要求所述的液固循环流化床系统， 其中注入所述第二流化床的所述气体含有氧气。
12.如权利要求1至11任一权利要求所述的液固循环流化床系统， 其中所述第一和第二流化床基本上是垂直塔。
13.如权利要求12中所定义的液固循环流化床系统，其中所述第一 流化床的所述第一末端为顶端，所述第一流化床的所述第二末端为底端; 所述第二流化床的所述一个末端为底端，所述第二流化床的所述另一末 端为顶端。
14.如权利要求13中所定义的液固循环流化床系统，其中在所述第 一流化床中，所述第一液体基本上上行并且所述固体颗粒基本上下行以 形成逆流流动，以及其中在所述第二流化床中，所述第二液体和固体颗 粒基本上同向上行。
15.如权利要求14中所定义的液固循环流化床系统，其中所述第二 流化床还包括位于其顶端的液固分离器装置，用于从液体中分离固体颗 粒并排放这种分离的液体以提供分离的固体颗粒。
16.如权利要求15中所定义的液固循环流化床系统，其中所述分离 器装置包括液体循环装置，用于使至少部分与所述固体颗粒分离的排放 液体循环回所述第二液体流化床的底端。
17.如权利要求15中所定义的液固循环流化床系统，其中所述分离 器装置包括液体循环装置，用于使至少部分与所述固体分离的排放液体 循环回所述第二液体流化床的中部。
18.如权利要求15、16或17中所定义的液固循环流化床系统，其 中所述第一液体流化床还包括位于其第一末端的沉降器装置，用于固体 颗粒从液体中分离并将这种分离的液体排放以提供沉降回第一流化床的 分离的固体颗粒，以便最小化经由出水的颗粒损失。
19.如权利要求18中所定义的液固循环流化床系统，其中所述沉降 器装置包括液体回流装置，用于使至少部分与所述固体颗粒分离的液体 循环回所述第一液体流化床的所述第二末端，并至少将部分与所述固体 颗粒分离的剩余液体从系统中作为处理过的出水排放。
20.如权利要求18中所定义的液固循环流化床系统，其中所述沉降 器装置包括污泥排除装置，用于排放处理过程中所形成的脱落污泥。
21.从污水供入流中去除碳、氮、磷的生物营养物去除方法，包括 如下步骤：
使原始污水进料和再循环流流入第一流化床，使在其上涂覆有有效 固定的细菌的固体颗粒和第一液体通过所述第一流化床，所述第一流化 床包括维持在缺氧条件下的区域，适用于对流经的所述第一液体进行反 硝化;
使在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒和所述第一液体流 经厌氧区，在此所储存的磷被释放;
使部分所述第一液体与所述在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固 体颗粒分离，以形成所述再循环流，并将所述固体颗粒和所述第一液体 的剩余部分输送进第二流化床，再使所述再循环流与所述原始污水进料 在所述第一流化床的入口处混合;
使在其上涂覆有有效固定的细菌的颗粒连同第二液体流通过所述第 二流化床，所述第二流化床具有控制在好氧条件下的好氧区，用于在氧 存在时通过所述被固定的细菌对所述第二液体流的组分进行生物降解， 生成二氧化碳、水和硝酸盐，以从所述好氧区产生硝化出水;以及
从所述第二流化床中将在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗 粒连同部分硝化出水输送入所述第一流化床，将剩余的硝化出水与在其 上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒分离，将部分剩余的硝化出水 作为经处理的出水从系统排放，并将所述硝化出水的剩余部分的其余部 分再循环入所述第二流化床的入口，使其与所述第一液体的剩余部分混 合形成所述第二液体，而所述的部分硝化出水与所述原始污水供料和所 述再循环流的混合物在所述第一流化床的入口处混合，形成所述第一液 体。
22.如权利要求21所述的方法，其中在其上涂覆有有效固定的细菌 的固体颗粒以与所述第一液体同向流动的方式流经所述第一流化床，以 及其中在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒以与所述第二液体 逆向流动的方式流经所述第二流化床。
23.如权利要求21或22所述的方法，其中所述第一流化床以循环 流化方式运行，强化了所述第一液体和固体颗粒之间的界面传质。
24.如权利要求21、22或23所述的方法，其中通过向所述第二流 化床中注入含氧气体，在所述第二流化床中形成可控好氧条件的好氧区。
25.如权利要求21、22、23或24所述的方法，其中所述第一和第 二流化床基本上为垂直塔，以及其中所述第二液体上行，所述固体颗粒 以与所述第二液体逆流的方式下行，流经所述第二流化床。
26.如权利要求21、22、23、24或25所述的方法，其中所述第二 流化床在适于传统流化方式的条件下运行，以便所述固体颗粒在重力作 用下流向所述第二流化床的底部。
27.如权利要求25或26所述的方法，其中所述缺氧区位于所述厌 氧区之下，并且原始污水和所述再循环流从所述缺氧区之下进入所述第 一流化床。
28.如权利要求25或26所述的方法，其中所述缺氧区位于厌氧区 之上，所述的再循环流和部分原始污水从厌氧区之下流入所述第一流化 床;以及其中原始污水的剩余部分和来自所述好氧区的硝化出水在所述 厌氧区和所述缺氧区之间流入所述第一流化床。
29.如权利要求21、22、23、24、25、26、27、28或29所述的方 法，其中将所述固体颗粒和所述第一液体的剩余部分输送至第二流化床 的步骤包括在所述第一和第二流化床之间形成移动填充床。
30.如权利要求21、22、23、24、25、26、27、28或29所述的方 法，其中将在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒连同部分所述 硝化出水从第二流化床转移至所述第一流化床的步骤包括在所述第二和 第一流化床之间形成移动填充床。
31.如权利要求21、22、23、24、25、26、27、28、29或30 所述的方法，包括去除污水处理期间形成的脱落污泥的步骤。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述脱落污泥从所述第二流化 床中排放。
说明书
同时去除碳、氮和磷的液固循环流化床污水处理系统
发明领域
本发明涉及流化床，具体地，本发明涉及特别适合污水处理以及同 时去除碳氮磷的液固和气液固循环流化床系统。
发明背景
自从二十世纪二十年代Winkler首次将流化技术应用于煤的汽化，流 化技术已经发展了近一个世纪[1]。自那时以来，流化床已用于许多不同 的用途，如气固、液固以及气液固接触器等，并作为化工和生物反应器 用于进行各种不同的工艺。
将流化床应用于生物污水处理工艺源于在利用活性炭在流化床中从 经化学处理的污水去除有机物的过程中观察到了反硝化现象[2]。自此， 人们已针对各种不同的水和废水研究了生物流化床(BFB)，用于进行碳氧 化、硝化、反硝化以及厌氧处理[3、4、5、6]。传统的生物膜反应器中 介质是固定的，而与此不同的是，生物流化床中被固定在颗粒上的介质 被向上流动的污水所产生的曳力悬浮。因此，生物流化床具有增加液固 接触面积、强化液体和介质间接触以及增加液体流速的优点。
生物流化床通常为液固流化床或向系统中加入气体用于好氧过程的 气液固流化床。液固系统的流化由液体流速控制[7]。对于给定的液固系 统，当液体流速低于最小流化速度Umf时，该床最初是固定的。当液体速 度超过Umf，床的操作进入传统的散式液固流化方式。在传统的散式液固 流化床中，固体颗粒近乎均一地悬浮在液体中，因此与液相接触良好，又 由于颗粒在液体中连续运动，连同液体产生的曳力，造成极好的界面传 质。当液体速度进一步加大，一些颗粒开始输送出该床。此时流化床处 于由传统流化方式向循环流化方式转变[7、8、9、10]。当液体流速足够 高时，大量颗粒被输送出床体。这时该床进入循环流化方式，形成循环 流化床(CFB)。循环流化床较传统流化具有更高的液固接触传质效率和液 体流量，也便于向床体输入和从床体输出固体颗粒。在气液固(三相)流化 床中，通常在靠近床体底部注入空气或其它气体以帮助液体流化固体颗 粒。气体以上升气泡的形式穿过流化床并同时与液体和固体颗粒相互作 用。气液固三相床也会发生类似的转变，从固定床发展为传统气液固(三 相)流化床，然后再到循环气液固(三相)流化床[11-13]。
生物流化床的这些优点可用于提高污水处理工艺的效率。传统上， 大多传统的和广泛使用的用于城市和工业污水处理的设计为活性污泥工 艺(AS)，其采用初沉池、曝气池和二沉池。除磷由添加化学药剂实现，而 氮仅从毒性更大的氨转化为硝酸盐。该工艺分类为悬浮生长系统，其中 负责处理的微生物处于悬浮状态。“固定膜”生物反应器较传统活性污泥 工艺具有一些优点。在固定膜生物反应器中，细菌膜被固定在附加介质 上，而不是它们自身保持在悬浮状态。由于生物量固定在介质上，因此 剪切导致的生物量损失是生物颗粒从生物反应器出水中流失的唯一机 制。脱落的生物量多为腐败的生物量，沉降性能好，易于与液体分离[14]。 固定膜与悬浮生长系统相比最突出的优点是单位容积的高生物量密度， 因此前者不但反应器大小紧凑，而且处理有机负荷冲击以及减轻抑制和 毒性影响的能力也更强。其它优点还包括延长生物颗粒停留时间，污泥 沉降性更好并因此改变二沉池的容积。在污水处理中最为广泛使用的固 定膜工艺是滴滤池和生物转盘接触器[15]。也使用厌氧滤池[16]和好氧生 物滤池[17]，尽管不如滴滤池和生物转盘接触器常用。当生物膜被固定在 固体载体上，生物流化床(BFB)的诸如增加液固接触面积和强化液体和基 质接触的优点可用来进一步提高固定膜生物反应器的效率[18]。值得注 意的是，这样的生物流化床固定膜生物反应器都以传统散式流化方式操 作，液体流速较低。
但是这些工艺(悬浮生长和包括固定膜生物流化床在内的固定膜生物 反应器)只能获得二级出水水质，去除氮(N)和磷(P)还需要额外处理。为 解决上述问题并针对因地表水水质恶化而日益严格的营养物排放标准， 生物营养物去除(BNR)工艺近来得到了更多的关注。在生物营养物去除工 艺中，氮和磷可以同时被去除。如图1所示，这些生物营养物去除工艺实 质上为悬浮生长系统，其采用厌氧、缺氧和好氧悬浮生长生物反应器的 组合。生物营养物去除工艺涉及多种微生物群，并利用选定微生物的能 力，如利用磷聚集微生物(PAO)大量吸磷，储存在细胞中的一些磷然后在 厌氧条件下释放，而后又在好氧条件下更大量地吸磷。另外，能够从硝 酸盐中提取氧的反硝化细菌降低了后续好氧处理的负荷。
生物营养物去除工艺较更传统的活性污泥工艺具有如下优点：极好 的出水水质、由于利用所生成的硝酸盐去除有机物而使所需的鼓气能耗 显著减少、改善的污泥沉降性能、由于在缺氧池中较低的细菌产率而使 污泥量降低以及去除/最小化化学污泥。尽管生物营养物去除工艺较传统 活性污泥工艺需要更多的过程控制，但过程控制以及数据采集能力的进 步已大大减轻了人员需求，因此两个工艺所需的操作人力相当。所以， 这些生物营养物去除工艺除了优于传统活性污泥系统而能够达到严格的 总氮和总磷出水标准的营养物去除工艺优点以外，投资和运行/维护费用 也大大降低。
但是，另一方面，人们对活性污泥生物营养物去除工艺在进水水量 和水质(即COD-化学需氧量、N、P、COD/P和COD/N比例)波动的情况下 的可靠性仍有一定程度的疑问，因而许多生物营养物去除工厂均建有备 用化学给料除磷系统。在生物营养物去除活化污泥系统中也观察到了不 完全反硝化和低养料与微生物(F/M)比例导致丝状膨胀情况[19、20]。在 一些情况下，由于易降解有机物浓度低，为了实现磷和氮的去除，可能 还需要外加碳源。
基于上述悬浮生长生物营养物去除工艺的缺点，需要开发更为有效 的生物营养物去除污水处理工艺。如果能将生物营养物去除的概念与固 定膜生物流化床工艺相结合，使二者的优点同时得到发挥，就非常理想。 另外，迄今为止，除非采用某些化学方法，尚没有生物流化床(不与生物 营养物去除结合)实现了有效地除磷[21，22]。就发明者所知，能够同时 完成磷和氮的生物去除的可靠生物流化床固定膜生物营养物去除工艺尚 未开发出来。尽管通过滤池中交替的含氧和缺氧条件，氮能在生物滤池 [23]中通过同时硝化-反硝化去除，但去除效率极低(约20%进水氮)。
如果能提供高效的生物流化床同时去除碳、氮和磷，则是非常有利 的。但关键的问题之一是如何将厌氧、缺氧和好氧工艺的这三种工艺组 合到一个流化床系统中。
发明概述
本发明的目的是提供利用(气)-液-固循环流化床(LSCFB或GLSCFB) 同时去除碳、氮和磷的固定膜生物营养物去除(BNR)污水处理系统。
如图2中所示，这里公开了新型的生物流化床生物营养物去除工艺， 它由新的液固循环流化床系统(LSCFB)实现，当向系统中至少一个流化床 注入气体时也可以称为气液固循环流化床系统(GLSCFB)。液固循环流化 床系统和气液固循环流化系统为最近开发出来的较新型的化学和生物反 应器[7-13]。就发明者所知，尽管液固循环流化床系统和气液固循环流化 系统在化学及生物处理方面具有很多优点，但尚未在包括生物营养物去 除工艺在内的污水处理工艺中应用。本发明中的新型的液固循环流化床/ 气液固循环流化技术利用了流化床的高接触效率，并将生物营养物去除 的厌氧、缺氧和好氧三个区整合到一个系统中。应该指出的是，以下提 到液固循环流化床系统(LSCFB)，也指气液固循环流化床系统 (GLSCFB)。
液固循环流化床生物营养物去除系统(BNR-LSCFB)含有两个相互连 接的流化床，以形成固体循环系统：升流床中液体和颗粒同向上行，降 流床中液体和气体上行而与下行的颗粒呈逆向流动。在以上的例子中， 升流床为液固流化床，降流床为气液固流化床。液固循环流化床(包括气 液固循环流化床)为近来开发出来的较新型的(生物)化学处理器[7、8、9、 10、11、12、13]。发明人最近开发的用于污水处理的液固循环流化床生 物营养物去除系统，建立了新型的固定膜生物营养物去除工艺。尽管液 固循环流化床系统在许多化学以及生物工艺中展示了诸如更好的界面接 触和减少返混的很多突出优点，但尚未在包括生物营养物去除工艺在内 的污水处理工艺中得到应用。另外，液固循环流化床系统的另一优点它 具有两个独立的流化床，便于将诸如好氧与缺氧过程的两个独立过程整 合到同一系统中。
本发明的一方面提供了液固循环流化床系统，包括第一流化床，在 其上涂覆有有效固定的细菌的固体颗粒从临近第一流化床的第一末端处 进入第一流化床，第一液体从临近第一流化床的第二末端处进入第一流 化床，第二末端远离一末端，以便固体颗粒与第一液体逆向流动。流化 床系统还包括第二流化床，该第二流化床为升流床，其中引导固体颗粒 进入第二流化床的装置和引导第二液体进入第二流化床的装置临近第二 流化床的一个末端，以便引入第二流化床的固体颗粒和第二液体从所述 一个末端向第二流化床的另一末端同向流经第二床，第二流化床的另一 末端远离所述一个末端。该系统还包括气体注入装置，用于将气体注入 所述第一和第二流化床之一或二者。第一装置经第一流化床的第二末端 和第二流化床的所述一个末端连接第一流化床和第二流化床，所述第一 连接装置包括将固体颗粒供入第二流化床的装置。该系统还包括第二装 置，其从临近第一床的第一个末端和第二流化床的另一末端处连接第一 和第二流化床，第二连接装置包括将固体颗粒供入第一流化床的装置。
本发明的另一方面提供了从污水供入流中去除碳、氮和磷的生物营 养物去除方法，包括如下步骤：
使原始污水进料和再循环流流入第一流化床，使在其上涂覆有有效 固定的细菌的固体颗粒和第一液体通过第一流化床，第一流化床包括维 持在缺氧条件下的区域，适用于对流经的第一液体进行反硝化;
使在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗粒和第一液体流经厌 氧区，在此所储存的磷被释放;
使部分所述第一液体与在其上涂覆有有效固定的细菌的所述固体颗 粒分离，以形成所述再循环流，并将所述固体颗粒和第一液体的剩余部 分输送进第二流化床，再使所述再循环流与所述原始污水进料在所述第 一流化床的入口处混合;
使在其上涂覆有有效固定的细菌的颗粒连同第二液体流通过第二流 化床，第二流化床具有控制在好氧条件下的好氧区，用于在氧存在时通 过固定的细菌对第二液体流的组分进行生物降解，生成二氧化碳、水和 硝酸盐，以从好氧区产生硝化出水;以及
从所述第二流化床中将在其上涂覆有有效固定的细菌的固体颗粒连 同部分硝化出水输送进第一流化床，将剩余的硝化出水与在其上涂覆有 固定的细菌的所述固体颗粒分离，将部分剩余的硝化出水作为经处理的 出水从系统去除，并将硝化出水的剩余部分的其余部分再循环入第二流 化床的入口，使其与第一液体的剩余部分混合形成第二液体，而部分硝 化的流出物与原始污水供料和再循环流的混合物在第一流化床的入口处 混合，形成第一液体。